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高熵合金与常规合金的晶体结构体系相比是一类相对较新的材料。其基于四个或更多具有近似等摩尔浓度的元素,经过合理的元素搭配,能够具备高强度、高熔点以及耐腐蚀等优异的复合性能。本文选用超低温韧性较好的CoCrFeMnNi高熵合金,通过在CoCrFeMnNi高熵合金中添加亲和性较好的非金属C元素增强合金的强度等力学性能以拓宽其使用情景。使用Gleeble热模拟实验和室温拉伸实验研究不同C含量下材料的高温变形行为及室温力学性能。
基于Gleeble热模拟实验结果,在Arrhenius双曲正弦模型的基础上建立了CoCrFeMnNiC0.5高熵合金和CoCrFeMnNiC5高熵合金的本构方程,并且验证了本构方程的准确性。同时,根据动态材料模型(DMM)理论,建立了CoCrFeMnNiC0.5高熵合金和CoCrFeMnNiC5高熵合金的热加工图。基于Prassad失稳准则判断,CoCrFeMnNiC0.5合金最佳热加工工艺区间为高速区:950-1000℃/10-1.2-1s-1,低速区:825-1000℃/10-3-10-1.7s-1。CoCrFeMnNiC5高熵合金在当前的实验条件下最佳的热加工工艺区间为900-1000?C/10-3-10-2.6s-1。
通过研究CoCrFeMnNiC0.5高熵合金和CoCrFeMnNiC5高熵合金的高温流变行为,讨论合金在不同Zener-Hollomon参数值下的不同变形机制。发现C元素的添加有效地削弱了位错交滑移能力,并导致基体内的高密度位错墙结构向微带结构转变,引起热变形过程中的加工硬化。CoCrFeMnNiC5高熵合金在不同变形条件下的峰值应力均高于CoCrFeMnNiC0.5高熵合金的峰值应力,归因于更高含量的碳化物对位错的钉扎作用增强了位错间的重叠、堆积和缠结等交互作用,进而增大了位错运动的阻力。在流变软化阶段,碳化物颗粒在剧烈塑性变形区域析出,在变形后期作为再结晶形核质点促进了再结晶软化机制。
不同C含量下的CoCrFeMnNiCx(X=0,0.5,1,3,5)高熵合金的相组成规律表明:在铸态时,X<5的情况下,相结构为单一的FCC固溶体;当X=5时,相结构为FCC固溶体和M7C3金属间化合物相。在轧制退火后,当X=3时,基体中发生碳化物颗粒析出,合金由FCC固溶体和M7C3第二相组成。X=5时,合金则由FCC固溶体、M7C3第二相和M23C6第二相组成。室温力学性能测试表明:随着碳含量从0at.%增加到3.0at.%,拉伸屈服强度从371MPa增加到792MPa。其中,CoCrFeMnNiC1高熵合金的力学性能最佳,拉伸屈服强度为634MPa,延伸率为38%。CoCrFeMnNiC5高熵合金维氏硬度最高可至345HV,较CoCrFeMnNi高熵合金158HV,提高了118%。
基于Gleeble热模拟实验结果,在Arrhenius双曲正弦模型的基础上建立了CoCrFeMnNiC0.5高熵合金和CoCrFeMnNiC5高熵合金的本构方程,并且验证了本构方程的准确性。同时,根据动态材料模型(DMM)理论,建立了CoCrFeMnNiC0.5高熵合金和CoCrFeMnNiC5高熵合金的热加工图。基于Prassad失稳准则判断,CoCrFeMnNiC0.5合金最佳热加工工艺区间为高速区:950-1000℃/10-1.2-1s-1,低速区:825-1000℃/10-3-10-1.7s-1。CoCrFeMnNiC5高熵合金在当前的实验条件下最佳的热加工工艺区间为900-1000?C/10-3-10-2.6s-1。
通过研究CoCrFeMnNiC0.5高熵合金和CoCrFeMnNiC5高熵合金的高温流变行为,讨论合金在不同Zener-Hollomon参数值下的不同变形机制。发现C元素的添加有效地削弱了位错交滑移能力,并导致基体内的高密度位错墙结构向微带结构转变,引起热变形过程中的加工硬化。CoCrFeMnNiC5高熵合金在不同变形条件下的峰值应力均高于CoCrFeMnNiC0.5高熵合金的峰值应力,归因于更高含量的碳化物对位错的钉扎作用增强了位错间的重叠、堆积和缠结等交互作用,进而增大了位错运动的阻力。在流变软化阶段,碳化物颗粒在剧烈塑性变形区域析出,在变形后期作为再结晶形核质点促进了再结晶软化机制。
不同C含量下的CoCrFeMnNiCx(X=0,0.5,1,3,5)高熵合金的相组成规律表明:在铸态时,X<5的情况下,相结构为单一的FCC固溶体;当X=5时,相结构为FCC固溶体和M7C3金属间化合物相。在轧制退火后,当X=3时,基体中发生碳化物颗粒析出,合金由FCC固溶体和M7C3第二相组成。X=5时,合金则由FCC固溶体、M7C3第二相和M23C6第二相组成。室温力学性能测试表明:随着碳含量从0at.%增加到3.0at.%,拉伸屈服强度从371MPa增加到792MPa。其中,CoCrFeMnNiC1高熵合金的力学性能最佳,拉伸屈服强度为634MPa,延伸率为38%。CoCrFeMnNiC5高熵合金维氏硬度最高可至345HV,较CoCrFeMnNi高熵合金158HV,提高了118%。